Наша ОП сосредоточила своё внимание на той области научного знания, которую Ричард Фейнман выделил как центральную в современной науке. В начале главы 1 первого тома Фейнмановских лекций по физике он охарактеризовал эту область следующими словами.
"Если бы в результате какой-то мировой катастрофы все накопленные научные знания оказались бы уничтоженными и к грядущим поколениям живых существ перешла бы только одна фраза, то какое утверждение, составленное из наименьшего количества слов, принесло бы наибольшую информацию? Я считаю, что это — атомная гипотеза (можете называть ее не гипотезой, а фактом, но это ничего не меняет): все тела состоят из атомов — маленьких телец, которые находятся в беспрерывном движении, притягиваются на небольшом расстоянии, но отталкиваются, если одно из них плотнее прижать к другому. В одной этой фразе, как вы убедитесь, содержится невероятное количество информации о мире, стоит лишь приложить к ней немного воображения и чуть соображения."
Эти слова сказаны в курсе, прочитанном Фейнманом в 1960-х годах. С тех пор возникла вычислительная, а затем и суперкомпьютерная техника. Физики применили её в области, которую выделил Фейнман, проявив немало воображения и соображения и убедились, что она, действительно, содержится невероятное количество информации о мире. В науке возникло направление, получившее название molecular modeling and simulation. Русский перевод "молекулярное моделирование" нельзя признать особенно удачным.
Молекулярное моделирование получило широкую известность благодаря своему прикладному значению. Однако основы молекулярного моделирования имеют глубокое фундаментальное значение в полном соответствии с оценкой Фейнмана. В этом вопросе достаточно воображения и соображения ещё не проявлено. Наша ОП пытается восполнить этот очень серьёзный пробел, она нацелена как на прикладные вопросы (мы о них отнюдь не забываем), так и на фундаментальные проблемы молекулярного моделирования. Суперкомпьютерное атомистическое многомасштабное моделирование является рабочим инструментом наших исследований, но не их целью.
Область науки, которую Ричард Фейнман выделил как центральную, включает как теорию, так и эксперимент. Мы – теоретики, однако убеждены, что никакая теория не имеет права на существование без тесной связи с экспериментальными исследованиями.
Наша ОП готовит специалистов в области теоретической физики, вооружённых лучшими вычислительными средствами. Суммируем фирменные черты нашей ОП: решение любой задачи начинается с атомистического рассмотрения; далее многомасштабный подход, где можно применить всё, чему учит теоретическая физика; обязательно сравнение с экспериментом. Всё это позволяет заниматься широчайшим спектром задач от прикладных до самых фундаментальных проблем.
Суперкомпьютерное атомистическое многомасштабное моделирование конденсированного состояния и живых систем — одно из прорывных направлений современной фундаментальной и прикладной науки, обладающее большой предсказательной силой. Всё, что окружает нас, включая нас самих, состоит из движущихся атомов и молекул. Уравнения движения универсальны. Если овладеть техникой их численного решения, можно моделировать любые вещества, неживые и живые, и их поведение. Теоретическая физика требуется для постановки задач, анализа результатов, их распространения за пределы пространственных и временных масштабов, доступных атомистическому моделированию.
Основные направления исследований, к которым привлекаются студенты и аспиранты:
- свойства веществ в равновесных условиях – уравнение состояния, фазовые равновесия, вязкость, проводимость, оптика и т.п. для простых веществ, металлов, углеводородов, полимеров, углеродных наноматериалов, сахаридов, электролитов и пр.;
- фазовые диаграммы веществ в экстремальных условиях, разогретое плотное вещество, неидеальная и пылевая плазма; металлизация водорода при высоких давлениях, высокотемпературная сверхпроводимость гидридов;
- свойства веществ и процессы в них в неравновесных условиях – метастабильные состояния и их распад, кинетика фазовых превращений, аморфные состояния, стёкла, аморфизация при быстром охлаждении или сжатии, трибология;
- динамика и кинетика фазовых переходов; ретроградная конденсация нефтегазовых смесей; неравновесные фазовые переходы при фильтрации газоконденсатов через пористые среды, наножидкости, газгидраты, тематика Газпрома;
- пластичность, прочность и другие проблемы материаловедения, радиационное материаловедение, радиационное старение, коррозия, тематика Росатома;
- атомистические основы свойств и процессов в материалах и рабочих телах электрохимических накопителей энергии, являющихся компонентами систем возобновляемых источников энергии; перенос протона в электролитах;
- биомолекулярные системы: структура, динамика и функции белков, нуклеиновые кислоты, биомембраны и «населяющие» их рецепторы, ионные каналы, молекулярный докинг белок-лиганд и другие проблемы живых систем на атомном уровне; рациональное компьютерное конструирование лекарств нового поколения, действующих на мишени в клеточных мембранах.
Из фундаментальных проблем, которыми мы занимаемся, выделим три проблемы, которые В.Л. Гинзбурга отнёс к "великим". Во-первых, речь идёт о возрастании энтропии, необратимости и "стреле времени". Во-вторых, это проблема интерпретации и понимания квантовой механики. В-третьих, это вопрос о связи физики с биологией и, конкретно, проблема редукционизма.
Подробности и имеющиеся задачи можно узнать, связавшись с научными руководителями, работающими по соответствующим тематикам. Все преподаватели программы – активно действующие учёные. Задачи, к которым они привлекают студентов, очень разнообразны и расширяются каждый год. Их круг у каждого представлен в разделе «научные руководители».
Подробное описание образовательной программы с иллюстрациями можно найти в прикрепленном постере по ссылке.
Популярное и немного неформальное изложение информации об основных научных темах и особенностях образовательной программы можно посмотреть в презентации лекции Г.Э.Нормана для первокурсников на занятии по проектной деятельности 11 ноября 2020 года.
